NO338243B1 - Generator for elektrosveiser med høy effektfaktor. - Google Patents

Description

Teknikkens område

Den foreliggende oppfinnelse relaterer seg til en generator som skal brukes i en elektrisk buesveiser (electric are welder), mer spesielt relaterer den foreliggende oppfinnelse seg til en generator som konverterer en alternerende enfase- eller trefase-vekselstrøm til likestrøm som blir kontrollert og tilpasset for den elektriske buesveiseren.

Bakqrunnsteknikk

Problemet som oppstår for generatorer for den elektriske buesveiseren er hovedsa-kelig rettet mot en lav effektfaktor for strøm absorbert fra nettspenningen.

I tillegg, er det en annen faktor som har negativ effekt på effektiviteten for elektrosveiser som er produsert i henhold til kjente utforminger og metoder, den uforut-sigbare variasjonen av spenningsforsyningen.

Med referanse til bakgrunnsteknikken ved bruk av et eksempel er den klassiske, vanlig brukte utforming for en elektronisk sveiser (electronic welder) vist i figur 1.

Utformingen omfatter på spenningsinntakssiden et første likerettertrinn 1 kun sammensatt av dioder etterfulgt av en bank av glattekondensatorer 2.

Den likerettede og glattede strøm blir så forsynt til en inverter-blokk 3 skaffet til veie ved bruk av høyfrekvens elektroniske svitsjer som forsyner den primære spolen for transformator 4.

Den sekundære spolen for transformator 4 blir etterfulgt av et andre likeretter trinn 5.

Strømmen som utmates fra det andre likeretter trinn 5 blir glattet av en spole 6 og forsynes til en sveisebue 7.

En generator av denne typen vil under drift absorbere fra ledningsnettet en strøm som har en oppførsel av typen vist i figur 2.

Det er umiddelbart synlig at en bølgeform av denne typen har et høyt harmonisk innhold og dette medfører en lav effektfaktor.

I denne situasjonen er det nødvendig å absorbere en høy RMS-verdi fra nettspenningen for å kunne opprettholde et høyt brukbart effektnivå i buen.

Dette medfører en vesentlig negativ effekt på effektforsyningsnettverket siden det høye harmoniske innholdet og den høye RMS-verdien for den absorberte strømmen medfører en økning i oppvarming av effektforsyningslederne og en vesentlig for-vrengning av bølgeformen for spenningen for effektforsyningslinjen som i sin tur igjen medfører en økning i tap i de ferromagnetiske kjerner for transformatorene forbundet til denne.

I tillegg vil forvrengningen av bølgeformen introdusere vesentlig støy på linja.

Videre, når sveisegeneratorene er av begrenset effekt, noe som er tilfelle for de som er tiltenkt å bli forsynt av det offentlige strømforsyningssystemet for hjemmet, så medfører den høye intensiteten for absorbert RMS-strøm inngrep i den termiske beskyttelsen for den offentlige strømforsyningen selv om effekten som leveres til sveisebuen er mindre enn den for en tilsvarende resistiv last.

Videre, som allerede nevnt, vil en generator med en utforming av typen vist i figur 1 uunngåelig bli påvirket av variasjoner i inngangsforsyningsspenningen, og dette reduserer ytelsen vesentlig for nevnte generator.

I lys av disse problemer har det blitt planlagt sveisegeneratorer som har tilleggstrinn som tillater en strømabsorpsjon fra lysnettet som er så sinusformet som mulig, det vil si å gjengi generatoren ekvivalent til en resistiv last slik at en kan være i stand til å bruke all den aktive effekten tilgjengelig for brukeren.

Tilleggstrinn som har som formål å automatisk tilpasse generatoren til spennings-variasjoner på lysnettet for å sikre en god og stabil ytelse for generatoren har også blitt lagt til.

Generatorer med utforming av denne typen kan være av typen vist skjematisk i figur 3.

Denne utformingen viser klart at med hensyn til kretsskjemaet i figur 1 så er det et tillegg i form av trinn 8 som er satt inn mellom likeretterblokka 1 og glatteblokka 2.

Dette trinnet, kalt PFC, kan skaffes til veie på forskjellige måter.

Generatorer av denne type er i alle tilfeller kostbare og kompliserte og noen ganger kritiske i valg av komponenter som trenger å motstå høye spenninger.

Fra US 6 570 128 er det kjent en generator for buesveiseapparater som er utstyrt med et inngangslikerettertrinn som haren enhetseffektfaktor og inneholderen in-duktor på forsyningsnettsiden, to dioder og to elektroniske brytere, en for hver diode, som blir drevet av en driver som avgir absorbsjonen i inngangslikerettertrinnet praktisk talt sinusformet.

Annen aktuell teknikk på området fremgår av EP 0 602 495 og US 5 406 051.

Redegjørelse for oppfinnelsen

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å skaffe til veie en elektrosveisege-nerator (are welding generator) som absorberer en strøm med en høy effektfaktor fra nettverket.

Innenfor dette målet er en hensikt ved oppfinnelsen å skaffe til veie en elektro-sveisegenerator som ikke er følsom for variasjoner på effektforsyningen som trek-kes fra ledningsnettet.

En annen hensikt er å skaffe til veie et sett av kretser for hvilke det er mulig å bruke komponenter som har en lav kostnad og høy effektivitet.

Dette målet og disse og andre hensikter som vil bli klarere synliggjort i det etterføl-gende blir oppnådd med en generator for elektrosveiser av typen som komponeres av et likerettertrinn forsynt av ledningsnettet, etterfulgt av et PFC-trinn og av et invertertrinn, begge av høyfrekvenstypen, og der den sistnevnte leverer et ut-gangstrinn for å forsyne effekt til en elektrosveiserkarakterisert vedat nevnte PFC-trinn er sammensatt av: to spoler som er gjensidig magnetisk koblet og som er arrangert i serie ved utgangen av likerettertrinnet, to første høyfrekvenskontrollerte svitsjer, som er forbundet mellom en felles node og to noder henholdsvis ved utgangene for de to spoler, to dioder med motsatt ledningsretning, som er henholdsvis forbundet til nodene mellom svitsjene og sine gjensidige koblede spoler, to glattekondensatorer som er forbundet til utgangsnodene for nevnte dioder og felleskoblingspunktet for nevnte første svitsjer, midler som videre er skaffet til veie for å kontrollere rekkefølgen av- og påsvitsjingen av nevnte to første svitsjer for derved å forme strømmen som absorberes av likerettertrinnet for å korrelere dette til bøl- geformen for linjespenningen, nevnte invertertrinn forsynt mellom koblingspunktet for nevnte første høyfrekvenssvitsjer og fellesnoden mellom nevnte kondensatorer omfatter fire triader (triads) der hver av dem er komponert av en andre styresvitsj, en diode og en kondensator, sammenkoblet slik at de danner fem noder, henholdsvis en sentral node, to mellomliggende noder og to eksterne noder, nevnte eksterne noder er forbundet til nodene mellom nevnte første svitsjer og de respektive dioder, nevnte mellomliggende noder er forbundet til det felles koblingspunktet for nevnte to første elektroniske svitsjer med innsettelsen av en diode henholdsvis, en kondensator som er forbundet mellom nevnte mellomliggende noder, en styreanordning som videre er skaffet til veie for de fire andre svitsjer, strømmen for utgangstrinnet som forsyner elektrosveisen blir trukket mellom koblingspunktet for de to første svitsjer og den sentrale noden for nevnte fire triader av andre styresvitsjer, dioder og kondensatorer.

Kort beskrivelse av tegningene

Videre karakteristikker og fordeler ved oppfinnelsen vil bli ytterligere klargjort fra den etterfølgende detaljerte beskrivelse av en foretrukket utførelsesform av denne, illustrert ved ikke-begrensende eksempler i de vedlagte tegninger der: Figur 1, 2, 3 og 4 er tegninger av kjente anordninger og av driftsskjemaer av disse, Figur 5 er et skjematisk bilde av firetrinnsgeneratoren for den foreliggende oppfinnelsen som spesielt illustrerer dens forbindelser,

Figur 6 er et detaljert bilde av PFC-trinnet,

Figur 7 er et detaljert bilde av invertertrinnet.

Metoder for utførelse av oppfinnelsen

Med referanse til figurene så kan generatoren i henhold til oppfinnelsen ideelt deles inn i fire trinn som er respektivt designert ved referansenummer 100 for nettdelstrinnet, ved referansenummer 200 for PFC-trinnet, ved referansenummeret 300 for invertertrinnet og ved referansenummeret 400 for utgangs- og buesveisetrinnet (are supply stage).

Nettdelstrinnet 100 er sammensatt av en konvensjonell likeretterblokk med dioder 101 som blir forsynt ved en nettledning 102 og kan være enfase eller trefase.

To utgangsledere designert henholdsvis ved referansenummer 103 og 104 leder ut fra trinn 101 og fortsetter inn i PFC-trinnet 200 i to inngangsledere 201 og 202.

To spoler 203 og 204 er respektivt forbundet til inngangene 201 og 202 og er gjensidig magnetisk koblet.

Utgangene av de to spolene 203 og 204 designert ved referansenumrene 205 og 206 er forbundet henholdsvis til en første node 207 og en andre node 208.

Den første terminal av en første styrt svitsj 209 er forbundet til noden 207 og den første terminal av en andre styrt svitsj 210 er forbundet til noden 208.

Den andre terminal av den første styrte svitsj 209 og den andre terminal av den andre styrte svitsj 210 er forbundet til en fellesnode 211.

Den første terminal av en første diode 212 er forbundet til noden 207, og den første terminal av en andre diode 213 er forbundet til dioden 208, de to dioder har motsatte ledningsretninger.

Den andre terminal av den første diode 212 er forbundet til en node 214 og den andre terminal av den andre diode 213 er forbundet til en diode 215.

Den første terminal av den første glattekondensator 216 er forbundet til noden 214 og den første terminal av den andre glattekondensator 217 er forbundet til noden 215.

De to kondensatorer 216 og 217 er arrangert slik at de har gjensidig motsatte pola-riteter og deres andre terminaler er forbundet til en node 218 som er forbundet til noden 211.

PFC-trinnet 200 har tre utgangsledere henholdsvis en leder 219 forbundet til noden 214, en leder 220 forbundet til noden 215 og en leder 221 forbundet til noden 218.

PFC-trinnet 200 har en styreanordning 222 som styrer av- og påsvitsjing av svitsjene 209 og 210 som er av høyfrekvenskontrollert type (IGBT eller MOSFET). Anordningen 222 trekker et spenningssignal Vin fra inngangen 201 ved bruk av forbindelsen 223, et strømsignal i lin fra leder 205 ved anvendelse av forbindelsen 224, et spenningssignal VCifra noden 214 eller fra kondensatoren 216 ved bruk av forbindelsen 225 og et spenningssignal Vc2fra noden 215 eller fra kondensatoren 217 ved bruk av forbindelsen 226.

I figuren designerer forbindelsene 227 og 228 styringen av svitsjene 209 og 210.

Ved bruk av passende styring av rekkefølgen for av- og påsvitsjing av de to svitsjene 209 og 210 vil styreanordningen 222 styre strømmen som absorberes ved det likerettede effektforsyningstrinnet 100 og forme dette slik at de følger bølgeformen for spenningslinjen oppnådd fra signalet Vin slik at den har en svært lav forvreng-ning og dermed en svært høy effektfaktor.

Ved å slå av svitsjene 209 og 210 vil strømmen i sporene 203 og 204 øke med en kurve som er tilsvarende

der Mi2er en koeffisient som tar hensyn til koblingen av de to spolene mens diodene 212 og 213 er slått av og Li, L2henholdsvis korresponderer til spolene 203 og 204. Ved å slå på svitsjene 209 og 210 vil strømmen, sirkulere i 203, 212, 216, 217, 213 og 204 slik at den lader glattekondensatorene 216 og 217 og strømmen avtar med en kurve tilsvarende til

Som følge av forbindelsen mellom nodene 211 og 218 eller mellom de to svitsjene 209 og 210 med de to kondensatorene 216 og 217 som har tilsvarende kapasi-tanser, vil spenningen påført på hver enkelt av svitsjene være tilsvarende til Vc/2 som er halvparten av spenningen som opptrer med konfigurasjoner av normalt kjente PFC-trinn.

Dette tillater bruk av svitsjer som har en lavere sammenbruddsspenning og av grunner som har med konstruksjonsteknologien av elektroniske svitsjer å gjøre, tillate å arbeide ved høyere svitsjefrekvenser for derved å tillate reduserte verdier av spolene 203 og 204 og å forbedre styringen av strømmen som absorberes fra nettledningene.

Som det er kjent, idet sammenbruddsspenningen for elektroniske svitsjer stiger, vil passende svitsjetid for nevnte svitsjer også øke og derfor vil det være enda mer nødvendig å senke svitsjefrekvensene for å begrense effekten som forbrukes av nevnte svitsjer.

Invertertrinnet 300 har en høy svitsjefrekvens og omfatter: en første ekstern node 301 som er forbundet til utgangslederen 219 med PFC-trinnet, en andre ekstern node 302 som er forbundet til utgangslederen 220, en første mellomliggende node 303 som er forbundet til utgangslederen 221 med en innskutt diode 304 og en andre mellomliggende node 305 som er forbundet til utgangslederen 221 med en innskutt node 306.

Diodene 304 og 306 er arrangert slik at de har motsatte lederetninger.

En første triade av komponenter i en parallellkonfigurasjon bestående av en kontrollert svitsj 307, en diode 308 og en kondensator 309 er skaffet til veie mellom den første eksterne noden 301 og den første mellomliggende noden 303.

En andre triade av komponenter i en parallellkonfigurasjon er satt sammen av en kontrollert svitsj 311, en diode 312 og en kondensator 313 mellom den første mellomliggende node 303 og en sentral node 310.

Tilsvarende er en triade av komponenter i parallellkonfigurasjon bestående av en tredje kontrollert svitsj 314, en diode 315, en kondensator 316 skaffet til veie mellom andre eksterne noden 302 og den andre mellomliggende noden 305.

En triade av komponenter i en parallellkonfigurasjon komponert av en fjerde kontrollert svitsj 317, en diode 318, en kondensator 319 er skaffet til veie mellom den andre mellomliggende node 305 og sentralnoden 310.

Det er også en kondensator 320 som er forbundet mellom de to mellomliggende noder 303 og 305.

Invertertrinnet 300 har videre en styreanordning 321 for å svitsje av og på de fire kontrollerte svitsjer 307, 311, 317 og 314.

Som følge av forbindelsene mellom nodene 322 som er felles for diodene 304 og 306 og noden 218 vil maksimal spenning som påvirker hver styrte svitsj være hal-vert.

Denne situasjonen tillater bruk av komponenter som har mye høyere svitsjefrekvens og hastighet enn kretser med kjent utlegg slik at det er mulig å redusere dimensjonene for de magnetiske komponenter.

Sett i lys av forbindelsene mellom PFC-trinnet 200 og invertertrinnet 300 med bruk av lederne 219, 221 og 220 og ved en passende av og på svitsjestyring av svitsjene er det mulig å styre avstemningen av spenningene på kondensatorene 216 og 217 for således å unngå å gå på kompromiss med styringen av sveisestrømmen.

Trinnet 400 er forsynt av noden 322 og ved noden 310 som er assosiert med pri-mærviklingene for en transformator 401, nevnte transformator forsyner på sin side effekt til en likeretter 402 for hvilken utgangen forsyner sveisebuen 404 i serie med en drosselspole 403.

Redegjørelsen i den italienske patentsøknad no. PD2003A000027 for hvilken denne søknaden krever prioritet fra er inkludert heri ved referanse.

Claims (6)

1. En generator for elektrosveiser av typen som komponeres av et likerettertrinn forsynt av ledningsnettet (100) etterfulgt av et PFC-trinn (200) og ved et invertertrinn (300), begge av høyfrekvenstypen og der den sistnevnte leverer et utgangs-trinn (400) for å forsyne effekt til en elektrosveiser (404),karakterisert vedat nevnte PFC-trinn (200) er sammensatt av: to spoler (203, 204) som er gjensidig magnetisk koblet og som er arrangert i serie ved utgangen av likerettertrinnene (100), to første høyfrekvenskontrollerte svitsjer (209, 210), som er forbundet mellom en felles node (211) og to noder (207, 208) henholdsvis ved utgangene for de to spoler (203, 204), to dioder (212, 213) med motsatt ledningsretning, som er henholdsvis forbundet til nodene (207, 208) mellom svitsjene (209, 210) og sine gjensidig koblede spoler (203, 204), to glattekondensatorer (216, 217) som er forbundet til utgangsnodene (214, 215) for nevnte dioder (212, 213) og felleskoblingspunktet (211) for nevnte første svitsjer (209, 210), midler (222) som videre er skaffet til veie for å kontrollere rekkefølgen av- og påsvitsjingen av nevnte to første svitsjer (209, 210) for derved å forme strømmen som absorberes av rettetrinn for å korrelere dette til bølgeformen for linjespenningen, nevnte invertertrinn (300) forsynt mellom koblingspunktet (211) for nevnte første høyfrekvenssvitsjer (209, 210) og fellesnoden (218) mellom nevnte kondensatorer (216, 217) omfatter fire triader der hver av dem er komponert av en andre styresvitsj (307, 311, 317, 314), en diode (308, 312, 318, 315) og en kondensator (309, 313, 319, 316), sammenkoblet slik at de danner fem noder, henholdsvis en sentral node (310), to mellomliggende noder (303, 305) og to eksterne noder (301, 302). Nevnte eksterne noder (301, 302) er forbundet til nodene mellom nevnte første svitsjer (209, 210)og de respektive dioder (212, 213), nevnte mellomliggende noder (303, 305) er forbundet til det felles koblingspunktet (211) for nevnte to første elektroniske svitsjer (209, 210) med innsettelsen av en diode (304, 306) henholdsvis, en kondensator (320) som er forbundet mellom nevnte mellomliggende noder (303, 305), en styreanordning (321) som videre er skaffet til veie for de fire andre svitsjer (307, 311, 317, 314), strømmen for utgangstrinnet (400) som forsyner elektrosveisen blir trukket mellom koblingspunktet (211) for de to første svitsjer (209, 210) og den sentrale noden (310) for nevnte fire triader av andre styresvitsjer (307, 311, 317, 314), dioder (308, 312, 318, 315) og kondensatorer (309, 313, 319, 316).

2. Generator i henhold til krav 1, karakterisert vedat nettforsyning kan være enfase eller trefase.

3. Generator i henhold til krav 1, karakterisert vedat nevnte første to svitsjer (209, 210) er av en type kjent som IGBT.

4. Generator i henhold til krav 1, karakterisert vedat nevnte to første svitsjer (209, 210) er avtypen kjent som MOSFET.

5. Generator i henhold til krav 1, karakterisert vedat nevnte middel som kontrollerer av-og påsvitsjing av nevnte første svitsjer(209, 210) er sammensatt av en anordning (222) som trekker spenning og strømsignaler (Vin, Vei, Vc2, lin) og styrer strøm-men absorbert av det likerettede effektforsyningstrinnet (100) ved å forme sin bøl-geform oppnådd fra signalet Vin, for således å redusere forvrengningen og oppnå en svært høy effektfaktor.

6. Generator i henhold til krav 1, karakterisert vedat nevnte to dioder (304, 306) for invertertrinnet (300), fellesnoden (322) som er forbundet til noden (218) for PFC-trinnet (200) tillater å halvere maksimumspenningen for de fire styrte svitsjer (307, 311, 317, 314), noe som tillater bruk av komponenter som har en høyere svitsjefrekvens og hastighet.